9. Bố cục luận án
3.4.3. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (σk)
a, Mẫu đo: Mẫu đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (độ bền liên kết giữa
các phần tử phủ với nhau) được lựa chọn chế tạo theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 với kết cấu và kích thước như (hình 3.19). Mẫu thử kéo gồm hai nửa, nửa mẫu bên trái và nửa mẫu bên phải được lắp ghép với nhau thành một khối có cùng kích thước Ø40mm và có tổng chiều dài là 65mm.
Hình 3.19. Mẫu thử đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ theo JIS-H-8664 [1, 92]
Mẫu khi ghép hai nửa với nhau tạo ra mặt cắt tách rời để khi kéo lớp phủ bị phá hủy tại vị trí đó, ở hai đầu phía ngoài của mẫu có gia công ren M24x2 để lắp ghép bulông trục kéo. Độ không đồng tâm của hai nửa mẫu không được vượt quá 0,02mm, sau khi gia công mẫu được lồng vào trục gá để tạo nhám bề mặt phủ có độ nhám Rz = 71±2µm. Tiếp theo mẫu được phủ có lớp phủ đạt chiều dày (1 ÷ 1,2)mm, các bước thực hiện cơ bản được mô tả như (hình 3.20).
a, Lắp ghép hai nửa mẫu thử b, Lắp mẫu vào trục gá
c, Gá kẹp mẫu trên đồ gá phun d, Mẫu sau khi phủ và được thiêu kết
Hình 3.20. Hình ảnh các bước thực hiện tạo lớp phủ trên mẫu
Trước khi đo, mẫu được mài trên máy mài tròn ngoài đạt kích thước Ø42+0.2mm (hình 3.21).
a, Ảnh mẫu đang mài trên máy b, Ảnh mẫu sau khi mài xong Hình 3.21. Ảnh mẫu được gia công mài trên máy mài tròn ngoài
b, Chế tạo trục gá kéo mẫu: Căn cứvào kích thước và kết cấu của mẫu đo
cũng như khoảng mở má kẹp của máy đo, ta tiến hành thiết kế và chế tạo 2 trục kéo với một đầu có ren M24x2 để lắp vào 2 đầu mẫu thử như (hình 3.22).
a, Sơ đồ nguyên lý b, Ảnh chụp trục gá lắp vào mẫu thử Hình 3.22. Sơ đồ lắp ráp mẫu thử kéo
c, Quy trình đo độ bền kéo đứt lớp phủ: Để đo ta tiến hành lắp bulông trục gá vào hai đầu của mẫu thử như (hình 3.22b), tiếp theo bulông trục gá kéo được kẹp chặt trên má kẹp của hai đầu máy kéo như (hình 3.23). Điều khiển cho đầu máy kéo tự động dịch chuyển cho tới khi lớp phủ bị đứt rời hai nửa với nhau như (hình 3.24), lực máy đo được chính là lực kéo đứt của lớp phủ được biểu diễn trong (hình 3.25).
Hình 3.23. Ảnh mẫu gá kẹp trên máy kéo Hình 3.24. Ảnh mẫu sau khi kéo đứt
Hình 3.25. Biểu đồ lực kéo khi đo độ bền kéo đứt lớp phủ
Quan sát biểu đồ (hình 3.25) cho thấy đường đặc tính về cơ bản được chia ra thành 3 giai đoạn, giai đoạn ban đầu (I) lực tăng dần theo quy luật đường
thẳng nhưng chậm, theo quy luật thì giai đoạn này gọi là biến dạng đàn hồi. Ở giai đoạn (II) đường đặc tính là một đường ngang gần như song song với trục hoành, giai đoạn này gọi là giai đoạn biến dạng dẻo kèm biến dạng đàn hồi. Giai đoạn (III) đường đặc tính bắt đầu tăng nhanh đến một giá trị lớn nhất sau đó giảm về 0, có nghĩa tại thời điểm này lớp phủ đã bị đứt lìa và giai đoạn này gọi là giai đoạn phá hủy.
Độ bền kéo đứt (𝜎𝑘) của lớp phủ được xác định theo công thức (3.4) sau:
k k
P
σ = ;(MPa)
F (3.4) Trong đó: σk – Độ bền kéo (MPa/mm2)
Pk – Lực kéo (N)
F – Tiết diện lớp phủ (mm2)
Mặt khác diện tích lớp phủ được xác đinh theo công thức (3.5) sau:
2 2 1 2 (d d ) F 4 (3.5)
Trong đó: d1 – Đường kính ngoài lớp phủ (mm) d2 – Đường kính ngoài mẫu (mm)
Diện lớp phủ ở trong nghiên cứu này là:
2 3,14(1764 1600) F 128, 74(mm ) 4 3.4.4. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ (γlp)
Vị trí đo độ xốp là phần mặt cắt ngang của lớp phủ trên mẫu, vì vậy mẫu được cắt và gia công bề mặt trên máy mài phẳng, sau đó được đánh bóng bằng máy đánh bóng chuyên dụng với các loại giấy giáp có kích thước hạt từ (400 ÷ 1200)µm. Mẫu sau khi đánh bóng đạt yêu cầu mới tiến hành mang đi đo.
a, Độ xốp được phân tích trên máy b, Kết quả đo độ trên máy Hình 3.27. Ảnh đo độ xốp và phân tích trên máy kính hiển vi Leice ICC50E
Độ xốp được xác định bằng cách trực tiếp đo diện tích các lỗ xốp trong khu vực quan sát của kính hiển vi và so sánh các khu vực này với tổng diện tích quan sát. Kính hiển vi được trang bị hệ thống máy tính và phần mềm để phân tích, xác định giá trị độ xốp của mẫu bằng cách chuyển đổi các vùng rỗ xốp thành màu xanh trong khi phần còn lại của các cấu trúc tế vi chuyển thành màu đỏ như (hình 3.27a). Chương trình máy tính được sử dụng để tính toán độ xốp bằng cách đánh giá về màu sắc khác nhau giữa vùng màu xanh và và màu đỏ (hình 3.27b).
3.4.5. Phương pháp xác định độ cứng tế vi lớp phủ (KLp)
Độ cứng tế vi của lớp phủ được đo tại vị trí phần mặt cắt ngang của lớp phủ trên mẫu (hình 3.28), chính vì vậy mẫu cũng được cắt và gia công bề mặt trên máy mài phẳng, sau đó được đánh bóng bằng máy đánh bóng chuyên dụng với các loại giấy giáp có kích thước hạt từ (400 ÷ 1200)µm. Mẫu sau khi đánh bóng đạt yêu cầu mới tiến hành mang đi đo. Độ cứng tế vi của lớp phủ được xác định là giá trị trung bình của ba vị trí đo khác nhau trên mẫu, ba vị trí đo khác nhau này được ấn định vùng đo trên lớp phủ là (vị trí ngoài cùng, vị trí điểm giữa và vị trí gần biên giới thép nền), vị trí đo được mô tả như (hình 3.29).
Hình 3.29. Hình ảnh mô tả vị trí đo độ cứng tế vi lớp phủ
Quá trình đo được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM E384. Thông qua ống kính xác định vị trí cần đo, điều chỉnh các thông số kỹ thuật trên máy. Mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc giữa các mặt phẳng đối diện là 136° (±30°) sẽ tự động di chuyển vào vị trí, hạ thấp và ấn vào bề mặt mẫu với tải trọng là 100g. Sau khi cắt bỏ tải trọng, máy được chuyển sang chế độ quan sát bằng kính hiển vi quang học tiến hành đo hai đường chéo của vết lõm (hình 3.30).
a, Đo độ cứng lớp phủ trên máy b, Vết đo độ cứng Vickers Hình 3.30. Ảnh đo độ cứng lớp phủ trên máy
Kết quả độ cứng vicker được xác định theo công thức (3.6) như sau:
2 2 2Fsin F F 2 F HV = k = 0,102 = 0,102 0,18915 S S d d (kgf/mm2) (3.6) Trong đó: HV - độ cứng Vickers k - là một hằng số (k = 1/gn = 1/9,80665 = 0,102) F - lực thử S - diện tích bề mặt lõm
d - độ dài đường kính trung bình, 𝑑 = (d1+ d2)/2
- góc hợp bởi hai mặt phẳng đối diện = 1360
3.5. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU PHỤC VỤ CHO QUÁ TRÌNH PHỦ BỘT Cr3C2-NiCr TRÊN NỀN THÉP 16Mn PHỦ BỘT Cr3C2-NiCr TRÊN NỀN THÉP 16Mn
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của các công trình khoa học đã tổng hợp ở chương 2, cho thấy chất lượng lớp phủ bị ảnh hưởng nhiều bởi các yếu tố như đặc tính bề mặt của chi tiết phủ, tỷ lệ thành phần hợp chất bột phủ, và cường độ dòng điện phun….Đó là những cơ sở ban đầu và quan trọng để làm căn cứ cho việc lựa chọn, tuy nhiên chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cho biết chính xác giá trị những thông số đó khi phun bột Cr3C2 - NiCr bằng phương pháp phun plasma trên bề mặt nền thép 16Mn. Để có cơ sở cho việc xác định và lựa chọn bộ thông số phun hợp lý, thông qua một số các kết quả thực nghiệm khảo sát sơ bộ ban đầu như sau:
3.5.1. Xác định độ nhám bề mặt phù hợp cho mẫu thép 16Mn
Quá trình phun phủ ngoài việc làm sạch bề mặt, còn cần tạo ra độ nhám phù hợp để tăng độ bền bám dính của lớp phủ trên bề mặt chi tiết… Liên quan đến vấn đề này và trực tiếp đến lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr, thông qua nghiên cứu khảo sát thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của độ nhám bề mặt tới độ bám dính của lớp phủ trên bề mặt thép nền 16Mn, bằng phương pháp phủ plasma. Kết quả cho biết độ bám dính của lớp phủ cao nhất đạt được là 32,4MPa khi bề mặt mẫu phủ có độ nhám Rz = 71±2µm (hình 3.31) [20].
Hình 3.31. Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới độ bền bám dính lớp phủ [20]
28.3 28.6 29.7 31.4 32.4 31.8 28 29 30 31 32 33 55 58 61 64 67 70 73 76 Độ bề n bám dín h σ (MPa) Độ nhám bề mặt mẫu phủ Rz (µm)
Đồng thời thông qua thực nghiệm khảo sát này cũng cho biết bề mặt mẫu phủ được tạo nhám bằng máy phun hạt mài Shang-Po TM-DT1, sử dụng hạt Al2O3 với kích thước của hạt trong khoảng (0,35 ÷ 1,19)mm. Độ nhám trên bề mặt mỗi mẫu có được khác nhau là do việc thay đổi khoảng cách phun (40, 60, 80, 100, 120, 140)mm. Thời gian và áp suất phun được cố định lần lượt là 30s và 6.0Bar. Kết quả độ nhám đạt được 76,7µm là lớn nhất ứng với khoảng cách phun là 100mm (hình 3.32) [20].
Hình 3.32. Ảnh hưởng của khoảng cách phun tới độ nhám bề mặt thép 16Mn [20]
3.5.2. Xác định tỷ lệ thành phần Crom cacbit trong bột phủ Cr3C2-NiCr
Độ bền chống ăn mòn của lớp phủ Cr3C2-NiCr liên quan đến tương tác giữa các thành phần cacbit và NiCr. Bột phủ Cr3C2-NiCr có các nguyên tố chính, mỗi nguyên tố giữ một vai trò nhất định trong lớp phủ, cụ thể như: NiCr có vai trò làm tăng tính dẻo liên kết giữa các hạt cho lớp phủ và tính kết dính, Cr3C2 có vai trò làm tăng độ cứng cho lớp phủ và làm tăng độ chịu tải trọng cho lớp phủ… Đối với mỗi yêu cầu về chất lượng lớp phủ cụ thể như độ bám dính, độ xốp, độ cứng khác nhau người ta sẽ thay đổi tỷ lệ pha trộn hỗn hợp vật liệu phủ là khác nhau. Để xác định tỷ lệ pha trộn phù hợp đảm bảo chất lượng lớp phủ sau khi phun có độ bám dính, độ cứng một cách hài hòa nhất, một nghiên cứu khảo sát tiền đề đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, sự ảnh hưởng của tỷ lệ phần trăm cacbit trong hỗn hợp vật liệu bột Cr3C2 – NiCr, đến độ bền bám dính và độ cứng tế vi của lớp phủ sau khi phun trên bề mặt thép hợp kim 16Mn. Kết quả nghiên
58.0 61.7 71.1 76.7 67.0 57.3 55 60 65 70 75 20 40 60 80 100 120 140 Đ ộ nh ám Rz (µm ) Khoảng cách phun Lp(mm)
cứu cho thấy, khi tăng hàm lượng Crôm cacbit từ 50% lên 80% theo khối lượng, độ bám dính lớp phủ giảm khoảng gần 3 lần, từ 43,58MPa xuống còn 16,32MPa (hình 3.33). Trong khi đó, độ cứng tế vi lớp phủ tăng lên khoảng gần 2 lần, từ 411HV lên 701HV (hình 3.34) [23].
Hình 3.33. Ảnh hưởng tỷ lệ % Crôm cacbit tới độ bền bám dính lớp phủ [23]
Hình 3.34. Ảnh hưởng tỷ lệ % Crôm cacbit tới độ cứng lớp phủ [23]
Qua kết quả thực nghiệm cho thấy khi thay đổi phần trăm Crôm cacbit trong bột phun làm độ bám dính và độ cứng của lớp phủ có tỷ lệ nghịch với nhau, đây là cơ sở quan trọng cho các ứng dụng cụ thể muốn ưu tiên chỉ tiêu nào hơn hoặc lựa chọn hài hòa cả 2 chỉ tiêu để quyết định tỷ lệ pha trộn bột trước khi phun.
3.5.3. Xác định khoảng giá trị cường độ dòng điện phun
Liên quan đến vấn đề này đã tiến hành một nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của dòng điện plasma đến độ bám dính của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề
16.32 22.46 43.58 10 20 30 40 50 50 55 60 65 70 75 80 Độ bề n bám dín h σ (MP a)
Tỷ lệ phần trăm Crôm cacbit trong vật liệu bột phủ
701 589 411 400 500 600 700 50 55 60 65 70 75 80 Độ c ứn g (HV )
mặt mẫu thép hợp kim 16Mn, với 5 giá trị cường độ dòng điện phun là (300, 400, 500, 600, 700)A để tạo ra các lớp phủ cho độ bám dính khác nhau (hình 3.35) [23].
Hình 3.35. Ảnh hưởng của đòng điện phun tới độ bền bám dính lớp phủ [23]
Kết quả cho thấy cường độ dòng điện phun ảnh hưởng mạnh đến độ bám dính của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr với bề mặt 16Mn. Độ bền bám dính tăng khi cường độ dòng điện tăng, tuy nhiên độ bám dính tăng nhanh khi cường độ dòng điện tăng trong khoảng từ 400A đến 550A. Khi dòng điện tăng, nhiệt độ của quá trình tăng lên làm tăng sự tan chảy của các hạt, dẫn đến tăng cường độ bám dính của lớp phủ vào bề mặt. Ngược lại, tiếp tục tăng cường độ dòng điện từ 600A đến 700A lại dẫn đến giảm độ bám dính (hình 3.35). Điều này có thể liên quan đến sự quá nhiệt làm các hạt phun bị cháy dẫn đến giảm độ bám dính [23].
Quan sát đồ thị (hình 3.35), có thể thấy lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr khi phun trên bề mặt thép nền 16Mn, bằng phương pháp phun plasma ảnh hưởng đáng kể khi cường độ dòng điện phun trong khoảng từ 450A đến 650A.
3.6. XÂY DỰNG KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM
3.6.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Một phương pháp quy hoạch thực nghiệm hay còn gọi là một kế hoạch thí nghiệm được lựa chọn và thiết kế tốt sẽ cho phép nhà nghiên cứu tiến hành số lượng thí nghiệm ít nhất, tốn kém ít chi phí, giảm được thời gian và công sức nhưng lại thu được nhiều thông tin nhất về quá trình, đối tượng nghiên cứu. Mục
17.4 19.3 28.7 30.5 27.7 16 20 24 28 32 300 400 500 600 700 Độ bề n bám dín h σ (MPa) Dòng điện Ip (A)
đích cơ bản của việc quy hoạch thực nghiệm là xây dựng một tiến trình thí nghiệm bền vững, ít bị ảnh hưởng của các thay đổi bên ngoài như:
- Giảm thiểu các yếu tố không điều khiển được.
- Xác định các yếu tố quan trọng và có thể điều khiển được. - Xác định được cấp độ sai khác về giá trị giữa các kết quả. - Xác định số lượng thí nghiệm cần thiết tối thiểu.
Trong thực tế có nhiều phương pháp quy hoạch thực nghiệm, tuy nhiên hiện nay có một số phương pháp được ứng dụng phổ biến như: Taguchi, giai thừa hoặc phương pháp bề mặt chỉ tiêu [24]. Trong nghiên cứu này tiến trình thí nghiệm được lựa chọn thực hiện theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methods - RSM).
Phương pháp bề mặt chỉ tiêu rất hữu ích trong việc phát triển, nâng cao hiệu quả và tối ưu hóa quá trình sản xuất. Nội dung chính của (RSM) là sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết kế với các mục đích sau [24]:
- Chỉ ra tập giá trị các biến đầu vào (điều kiện vận hành, thực thi) sao cho tạo ra ứng xử của đối tượng nghiên cứu là “tốt nhất”.
- Tìm kiếm các giá trị biến đầu vào nhằm đạt được các yêu cầu cụ thể về ứng xử của đối tượng nghiên cứu.
- Xác định các điều kiện vận hành mới đảm bảo cải thiện chất lượng hoạt động của đối tượng so với tình trạng cũ.
- Mô hình hóa quan hệ giữa các biến đầu vào với ứng xử của đối tượng nghiên cứu, dùng làm cơ sở để dự đoán hay điều khiển quá trình hay hệ thống.
Ngoài ra phương pháp này cho phép xác lập được các ảnh hưởng tương tác và ảnh hưởng bậc cao của các yếu tố. Dựa vào kết quả thí nghiệm ta xây dựng được mô hình hồi quy, hay còn gọi là hàm hồi quy thực nghiệm nhằm biểu diễn quan hệ đầu vào và đầu ra dưới dạng một hàm liên tục. Có thể sử dụng hàm hồi quy nhằm dự đoán ứng xử của hệ thống, quá trình hay của đối tượng dưới các điều kiện đầu vào khác nhau [24].